08_Wasserkraft

Wasserkraft= umgewandelte Sonnenenergie

Sonne verdunstet Wasser->Wind transportiert es als Wasserdampf->kommt als regen zuzück auf die erde und fließt bergab zürück ins Meer => freisetzung potenzielle Energie -> wird voon Wasserkraftwerken genutzt und umgewandelt

nur 0,02% der energie des Wasserkereislaufes nutzbar

Verluste: Verdunstung, Versickerung, Reibung

Flüsse kleinster anteil aber energetisch entscheidend

Meerwasser und Salzwasser nicht energetisch nutzbar (kein gefälle)

Bernoulli beschreibt die Energieerhaltung in einem strömenden Flüsigkeit: Lage+Druck+Geschwindigkeit=konstant

Senkt sich die höhe steigt Geschwindigkeit oder Druck -> nutzt die Turbine

in Praxis nutzen Kraftwerke dominierend potenzielle Energie (Fallhöhe) während kinetische energie (Geschwindigkeit) und Druck vergleichsweise gering sind

Fallhöhe werden durch Aufstau (Wehre, Staudämme) und Eindeichungen künstlich erhöht

Durchfluss durch umleitung anderer Bächer vergrößert

Niederschlagsverteilung bestimmt direkt das Wasserkraftpotenzial einer region: viel regen+Höhenunterschiede = hohes potenzial

Tropen: hohe Einstrahlung, starke Verdunstung, viel Niederschlag, wenig Höhenunterschied -> begrenzte Wasserkraft möglich

Alpen, Skandinavian, Himalaya, Anden: hohe Niederschläge + Gebierge -> hohes Potenzial

Küstengebiete: sehr hoher Niederschlag

Wüsten: kein Regen, kein Abfluss, keine Wasserkraft

Flussysteme bestimmen, wo Wasserkraftpotenzial existiert: große Flüsse mit viel Durchfluss oder kleine Flüsse mit hoher Fallhöhe-> durch unterschiedliche Technologien genutzt

Hauptsysteme:

Rhein (verbunden mit kleineren zulaufenen flüssen: Ruhr, Mosel, Main, Neckar)-> Nordsee

Donau(Inn, Isar, Lech, Iller, Amper, Salzach)-> Schwarzes Meer

Kleine Systeme:

Weser, Elbe-> Nordsee

Oder-> Ostsee

Fremdwasseranteil: Rhein enthält erhebliche Mengen Schweizer Schmelzwasser, wird in deutschen Kraftwerken genutzt-> Deutschland importiert Wasserenergie

Abweichungen von +95% bis -60% in Nass- oder trockenjahren.

in denn letzten Jahren vermehrte Trockenjahre

Wassserkraft stark Jahren und Wetter abhängig. Kann nicht alleine Stromverbrauch bewältigen, schlecht Planbar

Schneeschmelze können Abflussraten stark bestimmen

Speicher lösen Zeitproblem:

Sommer viel regen-> speicher füllen sich,

Winter Energiebadarf hoch-> Speicher werden entleert

Saisonale Angebot wird an saisonale Bedarf angepasst

Pumpspeicher: bei Stromüberschuss wasser hochgepumpt, bei bedarf nutzbar gemacht

Speicher auch weitere Nutzen: Trinkwasser, Hochwasserschutz

Einigen für was es genutz wird und was Vorrang hat

1. Wasser wird aufgestaut oder fließt mit natürlichem Gefälle.

2. Das Wasser strömt durch eine Turbine.

3. Die Turbine treibt einen Generator an.

4. Der Generator wandelt die mechanische Energie in elektrische Energie um.

5. Der Strom wird anschließend ins Netz eingespeist

1. Kraftwerksgebäude mit Rechen

2. Wehr

3. Talsperre

4. Schleuse

5. Druckstollen mit Wasserschloss

6. Hochwasserentlastungsanlage

7. Speicherraum

8. Umgehungsgewässer mit Fischaufstieg/Fischtreppe

1. Potenzielle Energie des aufgestauten Wassers

2. Kinetische Energie der Wasserströmung

3. Druck- & Mechanische Energie der Turbine

4. Elektrische Energie im Generator

Der Rechen hält Treibgut, Äste, Laub und andere Gegenstände zurück, damit Turbine und technische Anlagen nicht beschädigt werden.

Ein Wehr staut das Wasser auf und reguliert den Wasserstand. Dadurch wird eine ausreichende Fallhöhe für die Stromerzeugung geschaffen

Eine Talsperre ist ein Bauwerk zum Aufstauen großer Wassermengen. Sie dient der Energiespeicherung, Hochwasserschutz und Wasserregulierung.

Schleusen ermöglichen Schiffen das Überwinden von Höhenunterschieden an Stauanlagen.

Ein Druckstollen leitet Wasser von einem Speicher oder Stausee zur Turbine

Das Wasserschloss gleicht Druckschwankungen aus und schützt die Rohrleitungen vor Druckstößen (Wasserschlag).

Sie führt überschüssiges Wasser kontrolliert ab und verhindert Schäden an der Staumauer.

1. Reibungsverluste im Wasser

2. Strömungsverluste

3. Turbinenverluste

4. Generatorverluste

5. Elektrische Verluste

Moderne Anlagen erreichen bei Volllast Gesamtwirkungsgrade von bis zu 90 %.

Analyse abhängig Systemtechnik, spezifischen Einflussgrößen, gegebenheiten vor ort ( Fallhöhe, Durchfluss, Speicherbewirtschaftung), gegebene Kosten immer nur Größenordnungen/Anhaltswerte

Aufwendung bauliche Anlagen (Krafthaus, Wehr, Wasserfassung, Wehrverschluss), maschinenbauliche Komponenten (Absperrorgane, Turbinen), elektrotechbnische einrichtungen (Generatoren, Transformatoren, Steuerung, Energieableitung) und sonstige nebenkosten (Grunderwerb, Planung, Genehmigung)

50-60% Baukosten

Maschinenbau 20-30%

Elektronische Einrichtung 5-10%

sehr gering

benötigt 1% erzeugte Energie zur Deckung Eigenbedarf

Personal, Schmiermittel, Verschleißteile, Instandhaltung, Verwaltung, Entsorgung, Versicherung

1-2% Gesamtinvestitionen

AUs Gesamtinvestitionen ergeben über Abschreibungsdauer konstante jahres mittlere reale Kosten = Annuitäten

Stromgestehungskosten= Anuitäten, jährliche anfallende Betriebskosten, zu erwartender Stromertrag

Stark ausgebaut

Noch beachtliche Wasserkraftressourcen Vorhanden, handelt sich oft um wenig attraktive Lokationen, mit schlechter Infrastrukturanbindungen oder nachfragekapazität in Mitte Afrika, Südamerika, Asien

erschließung sehr kostenintensiv, Kapital nicht vorhanden

Niederschlagsflächenpotenzial:

Das Flächenpotenzial des Niederschlags ermittelt sich aus der mittleren jährlichen Niederschlagsfracht unter Berücksichtigung der topografisch bedingten Höhenunterschiede zu dem Punkt, an dem das dort niederfallende Wasser das betrachtete Gebiet verlässt.

Abflussflächenpotenzial:

Das Abflussflächenpotenzial bestimmt sich aus dem Niederschlagsflächenpotenzial unter zusätzlicher Berücksichtigung der Verdunstungsverluste.

Abflusslinienpotenzial:

Das Abflusslinienpotenzial ermittelt sich aus der mittleren Jahresfracht der Fließgewässer und den vorhandenen Gefällen in den Wasserläufen ohne Berücksichtigung von Fließverlusten.

Technisches Potenzial:

Unter Berücksichtigung der Fließverluste und Wirkungsgrade bestimmt sich aus dem Abflusslinienpotenzial das technische Potenzial der Wasserkraft.

Ausbauwürdiges Potenzial:

Das ausbauwürdige Potenzial erfasst alle bestehenden Wasserkraftanlagen, die in Bau befindlichen sowie alle bekannten Projekte. Es berücksichtigt damit neben den aus technischer Sicht gegebenen Einschränkungen für die Errichtung einer Wasserkraftanlage zusätzlich noch wirtschaftliche Restriktionen, die aus gegenwärtiger Sicht den Betrieb eines Wasserkraftwerkes nicht rentabel erscheinen lassen.

Ökologisches Potenzial:

Längst nicht alle technisch und wirtschaftlich sinnvoll nutzbaren Potenziale können ausgenutzt werden, wenn gewässerökologische Gründe oder Aspekte des Landschaftsschutzes berücksichtigt werden. Das ökologische Potenzial beschreibt deshalb den Teil des technischen Potenzials, der auch unter Berücksichtigung ökologischer Kriterien potenziell nutzbar ist.

Theoretisches Potenzial: maximaler Umwandlungswirkungsgrad von 100% und lückenloser ausbau aller Gewässer

Technisches Angebotspotenzial: berücksichtigung hydraulische Verluste, Anlagenverluste + realer nutbarer Abfluss, maximaler Wert der, unter realen Bedingungen zur stromerzeugung genutzt werden könnte

Wirken frei Fließende Strecken mit ein: bedarf geselschaftliche Abwägung zwischen Nutzung regenerativer energie und anderen Nutzungsoptionen (Siedlungen, Grundwassererhalt, Verbesserung ökologischer Zustand

Vorteile

• Erneuerbar

• Hoher Wirkungsgrad

• Regelbar

• Geringe CO₂-Emissionen

• Lange Lebensdauer

Nachteile

• Hohe Investitionskosten

• Eingriffe in Ökosysteme

• Begrenzte Standorte

• Fischwanderhindernisse